一種氧化鉍薄膜制備方法及可重構光電邏輯門
1.本發明涉及集成電路和處理器技術領域，具體涉及一種氧化鉍薄膜制備方法及基于氧化鉍開路光電壓隨光強非單調變化的可重構光電邏輯門。
背景技術：
2.傳統的基于互補金屬氧化物半導體(cmos)邏輯計算器件在過去幾十年中遵循著摩爾定律，不斷縮小尺寸來增加晶體管的數量，以滿足日益增加的數據處理的需求。預計在第四次工業革命時代和物聯網時代，數據量將會爆炸式增長，甚至超出摩爾定律的允許范圍，傳統的cmos邏輯計算器件在計算海量數據集方面將會面臨嚴重的限制。與縮小器件尺寸和三維集成相比，開發可重構的新型邏輯門是一個非常有潛力的方向。
3.光電邏輯門可用于準確和快速的數據處理，受到廣泛關注。尤其是可重構的光電邏輯門，可以通過編程在單一器件上實現不同邏輯門的靈活轉換，使其能夠以更少的部件實現更加復雜的數據操作和計算。目前，已經有能夠實現與門、或門、非門等基礎邏輯門轉換的可重構光電邏輯門被報道。然而，能夠實現異或操作的可重構光電邏輯門卻鮮有報道。
4.異或邏輯門不僅是位模式識別、數據加密、奇偶校驗和信號再生等數據處理功能的重要組成部分，也是分組交換網絡中用于同步、擦除和替換的基本工具。實現光電異或門操作的難點在于其兼顧了輸入(0,0)時輸出為0和輸入(1,0)時輸出1，就難以兼顧輸入(1,1) 時輸出0，這本質上是一種非單調的變化。目前的光電邏輯門器件，其輸出均隨輸入光強單調變化，因此無法實現異或門操作。一些報道中，利用不同方向的光電流實現異或門操作，但是卻需要額外的通過判斷光電流絕對值來判斷輸出結果，增加了邏輯判斷的復雜性。此外，在一定光強下，光電流隨器件尺寸增大而升高，因此基于光電流信號的邏輯門對器件加工精度要求非常高。
技術實現要素：
5.本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種氧化鉍薄膜制備方法及基于氧化鉍開路光電壓隨光強非單調變化的可重構光電邏輯門，并利用氧化鉍的這種獨有的特性設計并制造了一種可重構光電邏輯門。通過調節輸入光強，在不改變閾值條件的情況下，利用單一器件即可實現異或門、與門、與非門、或門、或非門、非門、禁止門等多種邏輯門的可編程重構。
6.為實現上述目的，本發明的技術方案是：
7.第一方面，本發明提供一種氧化鉍薄膜制備方法，所述方法包括以下步驟：
8.(1)將鉍沉積在導電基底上獲得鉍薄膜，使用鉍金屬作為靶材，濺射功率控制為20-80w，沉積時間控制為15-900s，基底旋轉速度為0-25r/min，基底溫度控制為300-620k，濺射壓力控制為0.7-3.5pa，濺射過程中通入氬氣作為載氣，其流量控制為5-60ml/min；
9.(2)將步驟(1)制備的鉍薄膜進一步在空氣中煅燒獲得氧化鉍薄膜。
10.優選地，在所述步驟(1)中，采用磁控濺射法將鉍沉積在導電基底上獲得鉍薄膜。
11.優選地，在所述步驟(2)中，，煅燒的溫度控制為450-720k，煅燒在加熱臺、高溫烘箱、管式加熱爐中的任意一種中進行。
12.第二方面，本發明提供一種基于氧化鉍開路光電壓隨光強非單調變化的可重構光電邏輯門，包括工作電極，所述工作電極為沉積在導電基底上的氧化鉍薄膜，所述氧化鉍薄膜由上述的制備方法制備而成。
13.優選地，所述的基于氧化鉍開路光電壓隨光強非單調變化的可重構光電邏輯門還包括輸入光源、調制器、對電極、電解液以及電解池；所述輸入光源包括第一輸入光源、第二輸入光源；
14.所述輸入光源、調制器用于發射出光，以作為輸入光照射在所述工作電極的同一位置上；
15.所述工作電極固定在所述電解池內部，所述電解池作為所述電解液的容器；
16.所述對電極固定在所述電解池內部，其不會阻擋所述輸入光源、調制器所發射出的光。
17.優選地，所述導電基底為不銹鋼、銅片、鋁片、氧化銦錫玻璃、導電硅片、氟摻雜的氧化錫玻璃中的一種。
18.優選地，所述對電極為鉑片、銅片、銀/氯化銀電極、甘汞電極中的一種。
19.優選地，所述輸入光源波長為365-450nm，光強為0.01-25mw/cm2。
20.第三方面，本發明提供一種可重構光電邏輯門的裝配方法，所述方法基于上述的可重構光電邏輯門，所述方法包括如下步驟：
21.將石英玻璃作為光輸入窗口；
22.將工作電極固定在電解池內部，與石英玻璃窗口相對，確保輸入光能夠照射到工作電極；
23.將對電極固定在電解池內部，并確保其不會阻擋輸入光的光路；
24.將三個光源分別固定，分別作為第一輸入光源、第二輸入光源和調制器，并調整光路，使第一輸入光源、第二輸入光源和調制器照射在工作電極的同一個位置上。
25.第四方面，本發明提供一種用于實現可重構光電邏輯門邏輯計算的方法，所述可重構光電邏輯門由上述的裝配方法裝配而成，所述方法包括如下步驟：
26.在電解池中注入電解液，控制第一輸入光源、第二輸入光源和調制器的開關和光強，將第一輸入光源和第二輸入光源的開記為1，關記為0；
27.利用電壓表檢測工作電極和對電極兩端的開路電壓變化，將開路電壓大于閾值判斷為1，小于閾值判斷為0；
28.通過調節第一輸入光源、第二輸入光源和調制器的光強，在不改變閾值的情況下，在單一器件上，實現異或門、多輸入異或門、與門、與非門、或門、或非門、非門、禁止門的任意重構。
29.本發明與現有技術相比，其有益效果在于：
30.通過采用本發明所提供的氧化鉍薄膜制備方法制備而成的氧化鉍薄膜首次發現了開路光電壓隨光強非單調變化的現象，并利用氧化鉍的這種獨有的特性設計并制造了一種可重構光電邏輯門；該可重構光電邏輯門通過調節輸入光強，在不改變閾值條件的情況下，利用單一器件即可實現異或門、與門、與非門、或門、或非門、非門、禁止門等多種邏輯門
的可編程重構。
31.另外，所采用的磁控濺射鍍膜技術來制備氧化鉍薄膜易于實現器件的大規模低成本生產。
附圖說明
32.圖1為本發明實施例提供的基于氧化鉍開路光電壓隨光強非單調變化的可重構光電邏輯門示意圖；
33.圖2為本發明實施例提供的基于氧化鉍開路光電壓隨光強非單調變化的可重構光電邏輯門開路電壓隨光強變化的曲線圖；
34.圖3為異或門的信號輸出；
35.圖4為三輸入異或門的信號輸出；
36.圖5為與門的信號輸出；
37.圖6為與非門的信號輸出；
38.圖7為或門的信號輸出；
39.圖8為或非門的信號輸出；
40.圖9為禁止門的信號輸出。
具體實施方式
41.下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案做進一步的說明。
42.實施例1
43.參閱圖1所示，本實施例所提供的基于氧化鉍開路光電壓隨光強非單調變化的可重構光電邏輯門主要包括輸入光源、調制器3、工作電極4、對電極5、電解液以及電解池；該輸入光源包括第一輸入光源1和第二輸入光源2
44.該輸入光源、調制器3用于發射出光，以作為輸入光照射在所述工作電極的同一位置上；該工作電極固定在所述電解池內部，所述電解池作為所述電解液的容器；該對電極固定在所述電解池內部，其不會阻擋所述輸入光源、調制器所發射出的光。
45.具體地，該輸入光源、調制器波長為405nm，工作電極為沉積在不銹鋼基底上的氧化鉍，對電極為銀/氯化銀電極。當然，該輸入光源、調制器波長為365-450nm，光強為0.01-25mw/cm2范圍內即可。
46.工作電極的制備包括以下步驟：
47.(1)采用磁控濺射法將鉍沉積在不銹鋼基底上獲得鉍薄膜，使用鉍金屬作為靶材，濺射功率控制為40w，沉積時間控制為120s，基底旋轉速度為20r/min，基底溫度控制為370k(開氏溫度)，濺射壓力控制為1.0pa，濺射過程中通入氬氣作為載氣，其流量控制為30ml/min；
48.(2)將步驟(1)制備的鉍薄膜進一步在空氣中煅燒獲得氧化鉍薄膜，煅燒的溫度控制為620k，煅燒在加熱臺上進行。
49.實施例2
50.參考實施例1，不同之處在于工作電極的制備。
51.工作電極的制備包括以下步驟：
535mv記為1，小于535mv記為0。異或門的信號輸出和真值表如圖3所示，兩者一致，說明了異或門的成功構建。
72.2、實現多輸入異或門
73.通過調節輸入光強和調制器光強，對邏輯門進行重構，實現多輸入異或門。
74.目前的多輸入異或門并非真正的“同0，異1”，崔建國等人利用傳統電子邏輯電路設計了一種多輸入的異或門，實現了真正的“同0，異1”，但是其結構非常復雜，且不具有可重構性，這些都限制了其實際應用。本專利中通過調節輸入光強和調制器光強，即可利用單一器件，實現真正的“同0，異1”的多輸入異或門。
75.以三輸入異或門為例，具體為，設置調制器的光強為0.11mw/cm2，第一輸入光源的光強為3.83mw/cm2，第二輸入光源的光強為3.83mw/cm2，輸入3的光強為3.83mw/cm2。記輸入光打開為1，關閉為0。記輸出閾值為535mv，即輸出開路光電壓大于535mv記為1，小于535mv記為0。三輸入異或門的信號輸出和真值表如圖4所示，兩者一致，說明了三輸入異或門的成功構建。對于四輸入異或門，只需改變第一輸入光源-4的光強均為2.61mw/cm2 即可，對于五輸入異或門，只需改變第一輸入光源-5的光強均為2.09mw/cm2即可。
76.3、實現與門
77.通過調節輸入光強和調制器光強，對邏輯門進行重構，實現與門。
78.具體為，設置調制器的光強為0.11mw/cm2，第一輸入光源的光強為0.13mw/cm2，第二輸入光源的光強為0.13mw/cm2。記輸入光打開為1，關閉為0。記輸出閾值為535mv，即輸出開路光電壓大于535mv記為1，小于535mv記為0。與門的信號輸出和真值表如圖5所示，兩者一致，說明了與門成功構建。
79.4、實現與非門
80.通過調節輸入光強和調制器光強，對邏輯門進行重構，實現與非門。
81.具體為，設置調制器的光強為0.99mw/cm2，第一輸入光源的光強為5.21mw/cm2，第二輸入光源的光強為5.21mw/cm2。記輸入光打開為1，關閉為0。記輸出閾值為535mv，即輸出開路光電壓大于535mv記為1，小于535mv記為0。與非門的信號輸出和真值表如圖6 所示，兩者一致，說明了與非門成功構建。
82.5、實現或門
83.通過調節輸入光強和調制器光強，對邏輯門進行重構，實現或門。
84.具體為，設置調制器的光強為0.11mw/cm2，第一輸入光源的光強為0.51mw/cm2，第二輸入光源的光強為0.51mw/cm2。記輸入光打開為1，關閉為0。記輸出閾值為535mv，即輸出開路光電壓大于535mv記為1，小于535mv記為0。或門的信號輸出和真值表如圖7所示，兩者一致，說明了或門成功構建。
85.6、實現或非門和非門
86.通過調節輸入光強和調制器光強，對邏輯門進行重構，實現或非門和非門。
87.具體為，設置調制器的光強為0.99mw/cm2，第一輸入光源的光強為10.45mw/cm2，第二輸入光源的光強為10.45mw/cm2。記輸入光打開為1，關閉為0。記輸出閾值為535mv，即輸出開路光電壓大于535mv記為1，小于535mv記為0。或非門的信號輸出和真值表如圖 8所示，兩者一致，說明了或非門成功構建。只要將或非門的雙輸入改為單輸入，即可得到非門。
88.7、實現或非門和非門
89.通過調節輸入光強和調制器光強，對邏輯門進行重構，實現禁止門。
90.具體為，設置調制器的光強為0.11mw/cm2，第一輸入光源的光強為0.51mw/cm2，第二輸入光源的光強為11.31mw/cm2。記輸入光打開為1，關閉為0。記輸出閾值為535mv，即輸出開路光電壓大于535mv記為1，小于535mv記為0。禁止門的信號輸出和真值表如圖9 所示，兩者一致，說明了禁止門成功構建。
91.綜上，本發明開發了一種基于氧化鉍開路光電壓隨光強非單調變化的可重構光電邏輯門。通過調節輸入光強，在不改變閾值條件的情況下，利用單一器件即可實現異或門、與門、與非門、或門、或非門、非門、禁止門等多種邏輯門的可編程重構。因開路電壓與器件尺寸無關，是光電材料的本征特性，因此基于本發明開路電壓信號的光電邏輯門信號不隨器件尺寸變化，這極大的降低了器件加工精度要求，有望大幅降低器件加工成本。相比于傳統的電子邏輯門，本發明提出光電邏輯門因其靈活、多樣的可編程重構特性，有望以更少的部件實現更加復雜的操作和計算，在即將到來的信息爆炸式增長的物聯網時代展現出巨大的應用前景。
92.上述實施例只是為了說明本發明的技術構思及特點，其目的是在于讓本領域內的普通技術人員能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡是根據本發明內容的實質所做出的等效的變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍內。
技術特征：
1.一種氧化鉍薄膜制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：(1)將鉍沉積在導電基底上獲得鉍薄膜，使用鉍金屬作為靶材，濺射功率控制為20-80w，沉積時間控制為15-900s，基底旋轉速度為0-25r/min，基底溫度控制為300-620k，濺射壓力控制為0.7-3.5pa，濺射過程中通入氬氣作為載氣，其流量控制為5-60ml/min；(2)將步驟(1)制備的鉍薄膜進一步在空氣中煅燒獲得氧化鉍薄膜。2.如權利要求1所述的氧化鉍薄膜制備方法，其特征在于，在所述步驟(1)中，采用磁控濺射法將鉍沉積在導電基底上獲得鉍薄膜。3.如權利要求1所述的氧化鉍薄膜制備方法，其特征在于，在所述步驟(2)中，煅燒的溫度控制為450-720k，煅燒在加熱臺、高溫烘箱、管式加熱爐中的任意一種中進行。4.一種基于氧化鉍開路光電壓隨光強非單調變化的可重構光電邏輯門，其特征在于，包括工作電極，所述工作電極為沉積在導電基底上的氧化鉍薄膜，所述氧化鉍薄膜由權利要求1-3任一所述的制備方法制備而成。5.如權利要求4所述的基于氧化鉍開路光電壓隨光強非單調變化的可重構光電邏輯門，其特征在于，還包括輸入光源、調制器、對電極、電解液以及電解池；所述輸入光源包括第一輸入光源、第二輸入光源；所述輸入光源、調制器用于發射出光，以作為輸入光照射在所述工作電極的同一位置上；所述工作電極固定在所述電解池內部，所述電解池作為所述電解液的容器；所述對電極固定在所述電解池內部，其不會阻擋所述輸入光源、調制器所發射出的光。6.如權利要求5所述的基于氧化鉍開路光電壓隨光強非單調變化的可重構光電邏輯門，其特征在于，所述導電基底為不銹鋼、銅片、鋁片、氧化銦錫玻璃、導電硅片、氟摻雜的氧化錫玻璃中的一種。7.如權利要求5所述的基于氧化鉍開路光電壓隨光強非單調變化的可重構光電邏輯門，其特征在于，所述對電極為鉑片、銅片、銀/氯化銀電極、甘汞電極中的一種。8.如權利要求5所述的基于氧化鉍開路光電壓隨光強非單調變化的可重構光電邏輯門，其特征在于，所述輸入光源波長為365-450nm，光強為0.01-25mw/cm2。9.一種可重構光電邏輯門的裝配方法，所述方法基于權利要求5所述的可重構光電邏輯門，其特征在于，所述方法包括如下步驟：將石英玻璃作為光輸入窗口；將工作電極固定在電解池內部，與石英玻璃窗口相對，確保輸入光能夠照射到工作電極；將對電極固定在電解池內部，并確保其不會阻擋輸入光的光路；將三個光源分別固定，分別作為第一輸入光源、第二輸入光源和調制器，并調整光路，使第一輸入光源、第二輸入光源和調制器照射在工作電極的同一個位置上。10.一種用于實現可重構光電邏輯門邏輯計算的方法，所述可重構光電邏輯門由權利要求9所述的裝配方法裝配而成，其特征在于，所述方法包括如下步驟：在電解池中注入電解液，控制第一輸入光源、第二輸入光源和調制器的開關和光強，將第一輸入光源和第二輸入光源的開記為1，關記為0；利用電壓表檢測工作電極和對電極兩端的開路電壓變化，將開路電壓大于閾值判斷為
1，小于閾值判斷為0；通過調節第一輸入光源、第二輸入光源和調制器的光強，在不改變閾值的情況下，在單一器件上，實現異或門、多輸入異或門、與門、與非門、或門、或非門、非門、禁止門的任意重構。
技術總結
本發明公開了一種氧化鉍薄膜制備方法及可重構光電邏輯門，本發明首次發現了開路光電壓隨光強非單調變化的現象，并利用氧化鉍的這種獨有的特性設計并制造了一種可重構光電邏輯門。因光電壓信號不隨器件尺寸變化(傳統光電流信號隨器件尺寸變化)，降低了對器件加工精度的要求，有望大幅降低器件加工成本。通過調節輸入光強，在不改變閾值條件的情況下，利用單一器件即可實現異或門、與門、與非門、或門、或非門、非門、禁止門等多種邏輯門的可編程重構。相比于傳統的電子邏輯門，本發明提出光電邏輯門因其靈活、多樣的可編程重構特性，能夠以更少的部件實現更加復雜的操作和計算，有望在即將到來的信息爆炸式增長的物聯網時代發揮重要的作用。發揮重要的作用。發揮重要的作用。
